6.9. Lendítőkerekes energiatárolók korszerű hajtásai és szabályozási módszerei 6.9.1. Lendítőkerekes energiatároló hajtás működése A lendítőkerekes energiatároló az L szögsebességgel forgó L tehetetlenségi nyomatékú tömeg EL kinetikus energiáját hasznosítja. A maximális kinetikus energia a maximális szögsebességhez tartozik E L = 1 2 θ L ω L 2 , E Lmax = 1 2 θ L ω Lmax 2 (6.1a,b) A tárolható ELmax energia k-ad részét akarjuk hasznosítani ∆ E Lmax = E Lmax - E Lmin =k E Lmax (6.2) E Lmin = 1 2 θ L ω Lmin 2 =(1−k) E Lmax (6.3) ω Lmin = 1−k ω Lmax (6.4) Szokásos gyakorlati érték pl. a k=0,75, Lmin=0,5Lmax, amikor a tárolt energia 75%-a, vagy a k=0,9, Lmin0,316Lmax, amikor a 90%-a hasznosítható (k az energiahasznosítási tényező).

6. 9. 1. ábra. Korszerű lendítőkerék hajtás 6.9.1. ábra. Korszerű lendítőkerék hajtás. a) Blokkvázlat, b) Üzemi tartomány, c) Határok teljes kihasználása. A kinetikus energia a lendítőkerék villamos hajtásának az mL nyomatékával, illetve pL teljesítményével szabályozható: p L = d E L dt = m L ω L (6.5) Lassításkor L csökkentésekor (kisütéskor) energiát veszünk ki, gyorsításkor L növelésekor (töltéskor) energiát adunk be a lendkerékbe.   Az 6.9.1.a. ábra korszerű lendítőkerekes hajtásában L a lendítőkerék, Á a mechanikai áttétel, VG a villamos hajtógép, TE a teljesítményelektronika, H a villamos hálózat, L a lendítőkerék tengelyére redukált eredő tehetetlenségi nyomaték. A VG, a TE és a H egységeknek mindkét irányú teljesítményáramlásra képesnek kell lenniük. A VG villamos hajtógép pL0 töltéskor motoros, pL0 kisütéskor generátoros üzemben működik (az előjelek hajtásos/fogyasztó pozitív irányokhoz tartoznak, termelő pozitív irányoknál megfordulnak). A korszerű, kis veszteségű megoldásokban áttétel nélküli, direkt hajtású lendítőkereket alkalmaznak, a következőkben ezzel számolunk. A TE és VG egységekből álló villamos hajtás szokásos működési tartományát az 6.9.1.b. ábra mutatja az L-mL síkon. Az Lmin≤L≤Lmax üzemi tartományban töltéskor +PLmax, kisütéskor –PLmax az igényelt legnagyobb teljesítmény. A hajtás legnagyobb hajtónyomatéka MLmax=PLmax/Lmin, a legnagyobb fékező nyomatéka –MLmax. Megállapítható, hogy a lendítőkerék hajtás optimális esetben egy olyan egyforgásirányú, 2/4-es hajtás, amelyiknek mezőgyengítéses az üzemi tartománya. Ekkor a hajtás N névleges pontját a 2 jelű pontba célszerű felvenni: MLn=MLmax, Ln=Lmin és PLn=MLnLn=PLmax.

Idők: A következőkben optimális és veszteségmentes viszonyokat tételeztünk fel. Ilyenkor a hajtás T=TLin(2k)/(22k) (6.6) idő alatt képes a lendítőkereket álló állapotból Lmax-ra felgyorsítani, ELmax kinetikus energiával feltölteni az 1-2-3 jelű pontoknak megfelelően. Üzem közben maximálisan ∆T=T− T Lin = k 2−2k C T VGin (6.7) ideig képes PLn=PLmax teljesítményt leadni/felvenni a lendítőkerekes hajtás. Az 6.9.1.c. ábra mutatja azt a határokat teljesen kihasználó esetet, amikor a pL teljesítmény PLmax között lüktet 2T periódus idővel és az EL energia ELmin és ELmax között változik lineárisan. E L = p L dt TLin=LLn/MLn=CTVGin a hajtás névleges indítási ideje, ami C=L/VG-szer nagyobb a VG villamos gép TVGin névleges indítási idejénél. A T időből TLin a 0 és Ln=Lmin szögsebességek (az 1-2 pontok), TTLin az Lmin és Lmax szögsebességek (a 2-3 pontok) közötti gyorsítási idő. Pl. k=0,75-nél T=2,5TLin, k=0,9-nél T=5,5TLin adódik. Pl. TVGin=1s, k=0,9 és C=20 esetén T=90s adódik. Eszerint a lendítőkerekes hajtás csak a rövididejű teljesítménylüktetések a kiegyenlítésére képes.

A feladat 6.9.2. ábra. A szélgenerátor pG és a lendítőkerék pL teljesítménye. A pL teljesítménynek a PLmax és a teljesítmény integráljaként kapott energiának az ELmax és ELmin közötti sávon belül kell maradnia. E két feltétel teljesülésekor a lendítőkerék az LminLLmax szögsebesség tartományban üzemelve képes a lüktető pG generátorteljesítmény kiegyenlítésére. A lendítőkerék hajtás feladata lehet pl. egy szélgenerátor által szolgáltatott, a turbulencia miatt lüktető pG teljesítmény kiegyenlítése. Ez a 6.9.2. ábra szerint pL=pGkpG lendítőkerék teljesítményt jelent.

Kezdőértékek, középértékek: A teljesítménylüktetés kompenzálásának a megkezdésekor a lendkerék szögsebességét úgy célszerű beállítani, hogy a kompenzálási energiatartalék szimmetrikus és egyben maximális legyen. Ehhez EL=ELk és L=Lk értékek tartoznak: E Lk = E Lmin + E Lmax 2 = θ L ω Lk 2 2 ω Lk = ω Ln 2−k 2−2k = ω Lmax 2−k 2 (6.8a,b) (Ln=Lmin). Pl. k=0,75-nél, ω Lk = ω Ln 2,5 ELk=2,5ELmin, ELmax=4ELmin, k=0,9-nél, ω Lk = ω Ln 5,5 ELk=5,5ELmin, ELmax=10ELmin.

6.9.3. ábra. Lendítőkerekes energiatároló működési határai k függvényében. A 6.9.3. ábra a k függvényében mutatja az energia és szögsebesség határokat, valamint a célszerű közepes értékeket a névleges (Ln=Lmin, ELn=ELmin) értékekre normalizálva. Látható, hogy érdemes k értékét minél nagyobbra venni, mert pl. k=0,9-nél a működési sáv szélessége ELmax=ELmaxELmin energiában háromszor akkora, mint k=0,75-nél.

A kompenzálandó teljesítmény lüktetési frekvenciájának korlátja Ha a lendkerék teljesítmény pl. Pm amplitúdójú és p körfrekvenciájú koszinuszos függvény szerint változik, ekkor a lendkerék energiája szinuszos lefolyású : pL=Pmcospt=mLL. (6.9) E L = 0 t p L dt + E L0 = P m ω P sin ω P t+ E L0 (6.10) (6.1.a) alapján a lendítőkerék hajtás szögsebességének és nyomatékának időfüggvényei: ω L 2 = ω LP 2 sin ω P t+ ω L0 2   ω LP 2 = 2 P m θ L ω P (6.11) m L = P L ω L = P m cos ω P t ω LP 2 sin ω P t+ ω L0 2 (6.12) Ezek az időfüggvények is periodikusak, de nem szinuszosak.

6.9.4-5. ábra. Függvények k=0,75 energiahasznosítási tényezővel. A használt értékek: Pm=1 ω L0 = ω Lk = ω Ln 2,5 =1 2,5 ≈1,581 ω LP 2 = ω Lmax 2 − ω L0 2 =4−2,5=1,5 Mint látható a példában feltételeztük azt, hogy teljesen kihasználjuk a lendítőkereket, azaz a szögsebesség Lk1,581-ről indulva Lmax=2 és Lmin=1 között, a kinetikus energia ELk=(5/8)ELmax-ról indulva ELmax és ELmin=ELmax/4 között lüktet. A periódikusan ismétlődő folyamatot az L-mL síkon az 6.9.5. ábra szemlélteti. PLmax=Pm=1 beállítást feltételezve. Ekkor pt=0°-nál pL eléri a PLmax=1, 180°-nál a PLmax=1 értéket. Az pt=90°-os pontban L=Lmax=2 és EL=ELmax, a 270°-os pontban L=Lmin=1 és EL=ELmin.  

Az első periódusban az L szögsebesség maximuma pt=90°-nál van Az első periódusban az L szögsebesség maximuma pt=90°-nál van. Ez maximálisan Lmax lehet. A (6.11) egyenletből helyettesítéssel, összefüggést kapunk a teljesítménylüktetés megengedett amplitúdója és körfrekvenciája között, arra az esetre, amikor a teljes szögsebesség változási tartományt kihasználjuk: ω P ≥ 2 P m k E Lmax = 2 P m (1−k) k E Lmin (6.13) 6.9.6. ábra. Teljesítmény lüktetés amplitúdó és frekvencia korlátai k függvényében. Ez az összefüggés p-re egy alsó korlátot definiál adott Pm-nél és k-nál, illetve Pm-re egy felső korlátot adott p-nél és k-nál. A 6.9.6. ábrán a megengedhető p-t ábrázoltuk k függvényében, Pm a paraméter. A jelleggörbéket TLin=7s314/s=2198, Lmin=Ln=1 és ELmin=TLin relatív egységes értékekkel számoltuk (ezeket használjuk a későbbi szimulációkban is). Az ábrában p/n=p/314/s dimenzió nélküli relatív egységes érték szerepel. Szaggatott vonallal bejelöltük a Tp=1min=60s és 2min=120s teljesítmény lüktetési periódusnak megfelelő p=2/(Tp314/s) értékeket. Látható, hogy Pm növekedésekor, illetve p csökkenésekor k-t növelni kell, hogy a határok között működjön a rendszer. A 6.9.3. és 6.9.6. ábrák, a teljesítmény kompenzálási feladat ismeretében, segítséget nyújtanak a lendkerék k energiahasznosítási tényezőjének célszerű megválasztásához.

6.9.2. Lendítőkerekes energiatárolók korszerű hajtásai Az 6.9.1.a. ábra szerint felépített lendítőkerekes hajtások korszerű változataiban TE teljesítményelektronikaként frekvenciaváltót, VG villamosgépként kalickás rövidrezárt forgórészű aszinkrongépet, állandómágneses forgórészű szinuszmezős szinkrongépet és csúszógyűrűs forgórészű kétoldalról táplált aszikrongépet alkalmaznak. Ennek megfelelően a következőkben csak ezzel a három változattal

6.9.2.1. Kalickás forgórészű aszinkrongépes lendítőkerék hajtás 6.9.7. ábra. a) Áraminverteres megoldás, Olyan frekvenciaváltós kapcsolások használhatók a rövidrezárt forgórészű aszinkrongépes lendítőkerekes hajtásokhoz, amelyekkel az 6.9.1.b. ábrán látható tartományt az fL1 tápfrekvenciával át lehet fogni. Ilyenek a 6.9.7. ábrán felrajzolt közbülső egyenáramú körös frekvenciaváltós megoldások. A legegyszerűbb és legolcsóbb megoldást a 6.9.7.a. ábrán látható tirisztoros áraminverteres kapcsolás eredményezi. Ebben mind az ÁG gépoldali, mind az ÁH hálózatoldali áramirányítóban normál, hálózati tirisztorok vannak, amelyekkel kb. fLmax100Hz, módosított változatával fLmax200Hz tápfrekvencia (kétpólusú ARZ aszinkron lendítőkerék hajtógéppel nLmax600012000/min fordulatszám) valósítható meg.

b) Feszültséginverteres megoldás. Ez a változat képes az 6.9.1.b. ábrán szemléltetett üzemi tartomány mezőgyengítéses átfogására. AZ ÁG-ből és ÁH-ból álló teljesítményelektronikát az 6.9.1.b. ábra 2 jelű pontjának megfelelően PLn=MLnLn=PLmax teljesítményre kell méretezni. Ez egyben az ARZ rövidrezárt aszinkrongép névleges teljesítménye is. A gyakorlatban széleskörűen a 6.9.7.b. ábrán látható feszültséginverteres kapcsolás terjedt el. Ebben mind az ÁG mind az ÁH áramirányító kétszintű feszültséginverter kapcsolású. Ezekben IGBT kapcsoló elemeket és impulzusszélesség modulációs (ISZM) vezérlést alkalmazva fLmax1000Hz (kétpólusú géppel nLmax60000/min) is elérhető. Napjainkban a feszültséggenerátoros változatot alkalmazzák elterjedten, mivel ez az ISZM vezérlés révén gyakorlatilag szinuszos áramú üzemre is képes. A következőkben a gyakorlatnak megfelelően csak a feszültséginverteres változatokkal foglalkozunk. A jövőben várható a háromszintű feszültséginverterek alkalmazása is, mivel ezekkel nagyobb villamos határteljesítmény és kisebb felharmonikus tartalom (kisebb veszteség) valósítható meg.

6.9.8. ábra. A feszültséginverteres megoldás. 6.9.2.2. Állandómágneses forgórészű szinuszmezős szinkrongépes lendítőkerék hajtás 6.9.8. ábra. A feszültséginverteres megoldás. Ugyanazok a megoldások alkalmazhatók állandómágneses forgórészű szinkrongépnél mint a kalickás forgórészű aszinkrongépnél. Lendítőkerekes hajtáshoz a szinuszmezőst célszerű alkalmazni Az ÁH és ÁG teljesítményelektronika és az SZ szinkronmotor névleges teljesítménye itt is a 2 jelű ponthoz tartozó PLn=MLnLn=PLmax. Az állandómágneses forgórészű szinkrongép létezik négyszögmezős és szinuszmezős kivitelben. Lendítőkerekes hajtáshoz a szinuszmezőst célszerű alkalmazni, mert ekkor a kalickás aszinkrongéphez hasonlóan egyszerűen megvalósítható az 6.9.1.b. ábrának megfelelő mezőgyengítéses üzemi tartomány.

6.9.9. ábra. A feszültséginverteres modern megoldás. 6.9.2.3. Csúszógyűrűs forgórészű kétoldalról táplált aszinkrongépes lendítőkerék hajtás 6.9.9. ábra. A feszültséginverteres modern megoldás. Az állórészt közvetlenül kapcsolják a hálózatra (fL1=fH=50Hz), a forgórészt pedig feszültséginverteren keresztül kapcsolják ugyanarra a hálózatra. Ezáltal az fLr forgórészköri frekvencia, illetve a fordulatszám változtatható: nL=(fL1fLr)/p* (6.14) (p* a póluspár szám). Az fLr pozitív előjelű ha a fázissorrend az állórészen és a forgórészen megegyező (a szinkron fordulatszám alatt), negatív előjelű ha ellentétes (a szinkron fordulatszám fölött).

6. 9. 10. ábra. Üzemi tartomány kétoldalról táplált aszinkrongépnél 6.9.10. ábra. Üzemi tartomány kétoldalról táplált aszinkrongépnél. k=0,75-höz L=L1/3, Lmax=(4/3)L1, Lmin=(2/3)L1. A veszteségeket elhanyagolva az üzemi tartományt az L1=2fL1/p* szinkron szögsebességre szimmetrikusan célszerű felvenni: Lmax=L1+L, Lmin=L1L. Ekkor az energiahasznosítási tényező: A teljes szögsebesség tartományban képes MLmax hajtó (töltő) és –MLmax fékező (kisütő) nyomatékra. Ha a teljesítményt PLmaxPLPLmax=MLmaxLmin szerint korlátozzuk, akkor a szaggatott tartományokban nem üzemel a hajtás. Az aszinkrongép névleges nyomatéka MAn=MLmax, névleges teljesítménye PAnMLmaxL1=PLmaxL1/(L1L). A teljesítményelektronikán csak a forgórészköri teljesítmény áramlik át. Ez a teljesítmény a 2 jelű pontban a legnagyobb, ennek megfelelően ÁG-t és ÁH-t a PTnMLmaxL=PAnL/L1=PLmaxL/(L1L) teljesítményre kell méretezni. Ez azt jelenti hogy pl. L=L1/3-nál (k=0,75-nél) a teljesítményelektronika típusteljesítménye a motor névleges teljesítményének csak L/L1=1/3-része, a PLmax-nak pedig csak L/(L1L)=1/2-része. Ugyanezek az arányok L=L1/5-nél (k=0,555…-nél) jóval kisebbre adódnak: L/L1=1/5, L/(L1L)=1/4. Emiatt ezt a megoldást elsősorban nagy teljesítményeken és maximálisan k=0,5 körüli energiahasznosítási tényezővel alkalmazzák. Az LminLLmax szögsebesség tartományra méretezett teljesítményelektronikát az LLmin tartományban nem szabad a forgórészre kapcsolni mert az (L1-L)-lel arányos rotor feszültség tönkretenné a forgórész tekercset. Emiatt külön indítóegység pl. a rotorkapcsokra csatlakozó ellenállásos indítás szükséges (ezt a 6.9.9. ábrában nem tüntettük fel).

6.9.2.4. Egyenkörre csatlakozó lendítőkerék hajtás 6.9.11. ábra A teljesítménylüktetés kompenzációja a közbülső egyenkörben is elvégezhető. Egyforma nagyságú közbülső körű egyenfeszültséget választva a szélgenerátor hajtás és a lendítőkerekes hajtás hálózati áramirányítói összevonhatók. A közös ÁH hálózati áramirányítón már lüktetésmentes pGk közepes teljesítmény áramlik át. Az eddigi megoldások a pL kompenzáló teljesítményt a háromfázisú hálózatba táplálják, ott történik a teljesítménylüktetés kompenzálása. Ha a lüktető teljesítmény forrása a lendítőkerekes hajtással megegyező feszültséginverter kapcsolású teljesítményelektronikával rendelkezik, akkor a teljesítménylüktetés kompenzációja a közbülső egyenkörben is elvégezhető. Például ez a helyzet a korszerű frekvenciaváltós szélgenerátoroknál. Egyforma nagyságú közbülső körű egyenfeszültséget választva a szélgenerátor hajtás és a lendítőkerekes hajtás hálózati áramirányítói összevonhatók. Az így kapott kapcsolást, állandómágneses szinkrongépes szélgenerátort és kalickás aszinkrongépes lendítőkerék hajtást feltételezve, mutatja a 6.9.11.ábra. Ez a megoldás a gyakorlatban nem terjedt el, annak ellenére hogy eredőben a teljesítményelektronika típusteljesítménye kisebb és hatásfoka jobb mint az eddigi megoldásoké. Elterjedését az gátolja, hogy nem képez önálló, tetszőleges területen alkalmazható egységet ez a fajta lendítőkerék hajtás.  Állandómágneses szinkrongépes és kétoldalról táplál aszinkrongépes lendítőkerék hajtás esetében is alkalmazható ez a megoldás.

6.9.3. Lendítőkerekes energiatároló hajtások korszerű szabályozási módszerei 6.9.12. ábra Bármely villamosgépekhez és a háromfázisú hálózathoz teljesen megegyező, feszültséginverter kapcsolású áramirányítók csatlakoznak. Ennek megfelelően a legbelső szabályozási hurokban lévő közvetlen vagy közvetett áramvektor szabályozások is hasonlóak. Közvetlen áramvektor szabályozásnál a gépoldalon a gép nyomatékképzését meghatározó mágneses mezőhöz (fluxusvektorhoz), a hálózatoldalon a hatásos teljesítményviszonyokat megszabó feszültségvektorhoz orientáltan szabályozzák az áramvektort. A megfelelően orientált áramvektor két Descartes komponensének a szabályozásával két különböző feladat (a gépoldalon a nyomaték és a fluxus, a hálózatoldalon a hatásos és a meddő teljesítmény szabályozása) oldható meg.   Közvetett áramvektor szabályozásnál a gépoldalon közvetlenül a nyomatékot és a fluxus amplitúdót, a hálózatoldalon közvetlenül a hatásos és a meddőt teljesítményt szabályozzák.

6. 9. 4. Teljesítmény lüktetés szabályozása 6. 9. 4. 1 6.9.4. Teljesítmény lüktetés szabályozása 6.9.4.1. Teljesítmény lüktetés szabályozásának megvalósítása Példaként a háromfázisú hálózatra (6.9.7.b. ábra) és az egyenkörre (6.9.11. ábra) csatlakozó kalickás aszinkrongépes lendkerék hajtás szabályozását vizsgáljuk. A háromfázisú hálózatra csatlakozó lendítőkerekes energiatároló hajtás szabályozókörének egy lehetséges blokkvázlatát mutatja a 6.9.13. ábra. 6.9.13. ábra. Háromfázisú hálózatra csatlakozó kalickás aszinkrongépes lendítőkerekes hajtás szabályozókörének a blokkvázlata.

mLa=(pLGapLv)/L, ha Lmin<L<Lmax, (6.32a) A lüktető villamos teljesítmény mért pG pillanatértékéből az SZ szűrő előállítja a pGk középértéket és e két teljesítmény különbsége adja a lendítőkerekes hajtás pLGa villamos teljesítményének az alapjelét: pLGa=pGkpG. (6.31) A pLGa-ból és az L lendítőkerék szögsebességből nyomaték alapjelet állít elő az MA egység: mLa=(pLGapLv)/L, ha Lmin<L<Lmax, (6.32a) mLa=mLv, ha LLmin, vagy LLmax. (6.32b) Az L és az mLa jelekből az FA egység meghatározza az AL kalickás aszinkrongép fluxusának a La alapjelét. A gépoldali SZÁLG szabályozó, az ÁLG áramirányítón keresztül, végzi az AL aszinkrongép nyomatékának és fluxusának a szabályozását. A szabályozás történhet mezőorientált áramvektor szabályozással (ekkor La az AL rotorfluxusának az alapjele), vagy közvetlen nyomaték és fluxus szabályozással (ekkor La az AL állórészfluxusának az alapjele). A szűrőt úgy kell beállítani, hogy ez pl. szélgenerátornál a turbulencia miatti teljesítménylüktetésnek feleljen meg. Itt pLGapLv a mechanikai teljesítménye, pLv az L-től függő vesztesége a hajtásnak, mLv=pLv/L az e veszteségnek megfelelő nyomaték. Az mLv motoros nyomaték az L szögsebesség állandó értéken való tartásához szükséges. Ha L bármilyen okból egy Lmax megengedett értéknél jobban meghaladja az Lmax szögsebességet, akkor mindentől függetlenül biztonsági fékező üzembe megy át a hajtás L<Lmax eléréséig. (Az MA nyomaték alapjel képző egység helyett teljesítmény szabályozó is alkalmazható, de ekkor mérni kell a lendítőkerekes hajtás pL teljesítményét is.)

A hálózatoldali SZULE feszültségszabályozó az uLe egyenfeszültséget szabályozza az általa előírt pLHa hatásos teljesítmény alapjellel. A SZULE feszültségszabályozó azt biztosítja, hogy a közbülsőköri CL kondenzátor uLe feszültsége és (1/2)CL energiája állandó maradjon, azaz ne torlódjon fel energia a közbülső egyenáramú körben. A qLHa meddő teljesítmény alapjelet külső, hálózati igények szabják meg. Az SZÁLH szabályozó, az ÁLH áramirányítón keresztül, végzi a lendítőkerekes hajtás villamos hatásos és meddő teljesítményének a szabályozását. A szabályozás történhet hálózatorientált áramvektor szabályozással, vagy közvetlen hatásos és meddő teljesítmény szabályozással. A kalickás aszinkrongépes lendítőkerekes energiatároló hajtás ezzel az erősáramú és szabályozó körrel minden fajta lüktető teljesítmény kompenzálására alkalmazható. Hasonló felépítésű az állandómágneses szinkrongépes lendítőkerék hajtás. A kétoldalról táplált aszinkrongépes lendítőkerék hajtás blokkvázlata annyiban eltérő, hogy ott mezőgyengítés nem lehetséges. A SZULE feszültségszabályozó azt biztosítja, hogy a közbülsőköri CL kondenzátor uLe feszültsége és (1/2)uLE2CL energiája állandó maradjon, azaz ne torlódjon fel energia a közbülső egyenáramú körben. Ez akkor teljesül, amikor a kondenzátorhoz csatlakozó gépi és hálózati oldalon a hatásos teljesítmények illetve ezek alapjelei megegyeznek: pLHapLGa. A valóságban a figyelmen kívül hagyott veszteségek miatt van egy kis eltérés a pLHa és pLGa teljesítmény alapjelek között.

6.9.14.ábra. Állandómágneses szélgenerátor egyenkörére csatlakozó lendítőkerekes hajtás szabályozókörének a blokkvázlata. Ebben a szélgenerátor generátoroldali ÁG áramirányítójának a szabályozását is feltüntettük. A KSZV jelű központi szabályozó vezérlő a mért v szélsebesség és a pG generátor teljesítmény függvényében előírja a szélturbina SZ lapátszög szabályozója részére a a lapátszög alapjelet és a generátor SZN fordulatszám szabályozója részére az na fordulatszám alapjelet. Az SZN szabályozó szolgáltatja a neki alárendelt SZÁG szabályozó részére generátor mGa nyomaték alapjelét. Az SZÁG szabályozó az ÁG generátoroldali áramirányítón keresztül szabályozza a nyomatékot. Ez a szabályozó működhet pólusmezőhöz orientált áramvektor szabályozással, vagy közvetlen nyomaték és fluxus szabályozással.

A lendítőkerék hajtás ÁLG gépoldali áramirányítójának a szabályozása most is ugyanúgy történik mint a 6.9.13. ábrán. A generátor hajtás és a lendítőkerék hajtás közös ÁH hálózati áramirányítóját úgy kell szabályozni mint a 6.9.13. ábrán az ÁLH áramirányítót. A különbség csupán annyi, hogy most az ÁH áramirányítón a pG+pLpH eredő teljesítmény áramlik át. Ennek megfelelően az SZUE feszültség szabályozó pHapGk hatásos teljesítmény alapjelet állít be. A lendítőkerekes energiatároló hajtás ezzel az erősáramú és szabályozó körrel akkor alkalmazható, ha a lüktető teljesítmény forrása (pl. a szélgenerátor) közbülső egyenáramú körös frekvenciaváltós hajtással rendelkezik. Ebben az esetben is mutatkozhatnak problémák, például a kétoldalról táplált aszinkrongépnél a teljesítmények a körülményes mérése miatt. Ha a lüktető teljesítményforrás teljesítményelektronikája a 6.9.14. ábrán látható állandómágneses szélgenerátorral megegyező felépítésű, akkor a lüktető pG teljesítmény az ÁG áramirányító egyenáramú oldalán pG=ueieG szerint egyszerűen számítható és mérhető. Ha a lüktető teljesítményforrás teljesítményelektronikája a 6.9.14. ábrán látható állandómágneses szélgenerátorral megegyező felépítésű, akkor a lüktető pG teljesítmény az ÁG áramirányító egyenáramú oldalán pG=ueieG szerint egyszerűen számítható és mérhető. Mivel az ue egyenfeszültség gyakorlatilag állandó ueUea, ezáltal a teljesítmények az egyenáramokkal arányosak: pGieG-vel, pLieL-lel, pGkieH-val. Ilyenkor a teljesítménylüktetés szabályozása visszavezethető egyenáram szabályozásra. Egyik szabályozóköri blokkvázlat sem tartalmazza azt a részt, amelyik a lendítőkerekes hajtás álló állapotból való felfutását, a kezdeti feltöltést biztosítja. Ekkor a hajtást az 6.9.1.b. ábra motoros terhelhetőségi határának megfelelően az 1-2 pontok között maximális MLmax=MLn nyomatékra, a 2-3 pontok között maximális PLmax=PLn teljesítményre célszerű szabályozni, mivel ekkor adódik a legkisebb feltöltési idő.

6.9.4.2. Teljesítmény lüktetés szabályozásának szimulációja (MATLAB Simulink) Példaként a 6.9.13. ábrán bemutatott rendszer szimulációjának vizsgálatát mutatjuk be (AL). Egyszerűsítések: A lüktető teljesítmény forrásaként szélgenerátort tételeztünk fel. A szélgenerátort a lüktető pG teljesítményével vettünk figyelembe. A feszültséginverter kapcsolású, ISZM vezérlésű áramirányítókat szabályozható amplitúdójú és frekvenciájú szinuszos feszültség forrásokkal modelleztük. A kalickás aszinkron gép (AL), a hálózat, a mechanikai rész és az egyenkör pontos állapotegyenleteivel szerepel a modellben. A szimulációban termelői pozitív irányokkal dolgoztunk, így a hálózatba adott (a lendítőkereket kisütő) pL teljesítmény lett pozitív előjelű. Az AL kalickás aszinkrongéppel az SZÁLG blokk mezőorientált áramvektor szabályozással lett megvalósítva. A szinuszos feszültség forrás közelítést elsősorban a futási idő csökkentése miatt tettük. Az így kapott eredmények helyesek, mert több nagyságrendi különbség van a mechanikai és villamos időállandók között. Viszonylagos egységrendszert használtunk, a mennyiségeket a lendítőkerék névleges értékeire viszonyítottuk.

A vizsgált folyamat: A lendítőkerék Lk=1,581pu szögsebességgel forog (6.9.8.b), k=0,75. A szélgenerátor pGk közepes teljesítményéhez egy állandó PG amplitúdójú és Tp periódus idejű szinuszos turbulens lüktetést injektálunk. Ennek megfelelően a szélgenerátor teljesítménye: pG=pGk+pG. A pG teljesítménylüktetés különböző fázishelyzetében kezdjük el a lendítőkerekes energiatárolóval a lüktetés kompenzálását (pLGa=pG). A rendszer paramétereit a következőkre állítottuk, összhangban az elméleti vizsgálatokkal és a célul kitűzött kompenzálási tartományokkal: Tp=1min=18850pu.; k=0,75 (Lmin=1pu, Lmax=2pu); PGk=1pu a legtöbb esetben; TVGin=1s=314pu; C=7; TLin=7*314=2198pu (így a (6.7) szerinti T=10,5s, ami kisebb mint 1min, de a pL a folyamatok alatt többségében így is messze van a PLmax=1pu értéktől).

6.9.4.2.1. Tökéletes kompenzáció Ha a rendszer nem éri el korlátait, a kompenzáció tökéletes. Ehhez kicsi lüktetési amplitúdó szükséges: PG=0,4-re lett választva. A számítási idő 40000pu. A kompenzáció kezdete a pG negatív maximumánál (t=(3/4)Tp=14138-nál) van. Az így kialakuló szimmetrikus kisütési-töltési periódusok L középértékét és a kompenzálási tartalékot változatlanul, a kiindulási optimális értéken hagyják. Jól látszik a mezőgyengítés (6.9.24a,d. ábrák).

6.9.15. ábra (1). Tökéletes kompenzáció. a. AL aszinkrongép áramvektora mező koordinátarendszerben, b. AL aszinkrongép nyomatéka és szögsebessége, c. Lendkerék hajtás pL teljesítménye és a pG+pL eredő teljesítmény, d. AL aszinkrongép rotor fluxusvektorának amplitúdója.

6.9.15. ábra (2). A folyamat időbeli lefolyása (klikk a képre)

6.9.4.2.2. Lüktető komponens fázishelyzetének hatása 6.9.16. ábra A teljesítmény lüktetés kompenzációjának a kezdetekor pG különböző fázishelyzetű lehet. A fázishelyzet hatását mutatjuk be a következő vizsgálattal (6.9.16. ábra). Most ugyanabban a teljesítmény kompenzálási folyamatban t=Tp/2=9425pu időpillanatban engedélyezzük a kompenzálást. Ez a teljesítmény lüktetés negatív félperiódusának kezdete. A kompenzáló pL=pG pozitív félperiódusa kisüti az energiatárolót, lecsökkenti fordulatszámát, és a hosszú kisütési idő miatt a fordulatszám eléri az Lmin korlátot, átmenetileg abbamarad a kompenzáció. Amikor pL=pG negatív lesz (töltés) a kompenzálás céljából a kompenzálás folytatódik, ami kihozza a rendszert az alsó fordulatszám korlátból. Mivel PG nem nagy (ugyanakkora, mint előbb), a felső fordulatszám korlátot nem éri el a hajtás, beáll egy olyan periodikus állapot, amelyben a szögsebesség az alsó korlátot éppen csak érinti. Ezzel a fordulatszám középértéke Lk alá csökkent, de a kompenzálás tökéletes. Ha vissza akarjuk állítani a szimmetrikus kompenzálási tartalékot adó Lk szögsebesség középértéket, akkor átmenetileg fel kell adni a pG+pL=PGk=áll. kompenzálási célt. A rendszer ellátható egy lassú szögsebesség középérték szabályozással, aminek az alapjele Lk. a. AL aszinkrongép nyomatéka és szögsebessége, b. Lendkerék pL teljesítménye és a pG+pL eredő teljesítmény.

6.9.4.2.3. Fordulatszám korlátozások periódikusan 6.9.17. ábra (1) A PG-t növelve a lendítőkerék eléri a felső fordulatszám korlátot is, és a korlátok elérése periódikusan ismétlődik. A 6.9.17. ábrát PG=0,6 értékre rajzoltuk fel. A korlátok elérése (3,5,7 jelű szakaszok) az áramvektor pályából és a fluxus időfüggvényből is látszik. a. AL aszinkrongép áramvektora mező koordinátarendszerben, b. AL aszinkrongép nyomatéka és szögsebessége, c. Lendkerék pL teljesítménye és a pG+pL eredő teljesítmény, d. AL aszinkrongép rotor fluxusvektorának amplitúdója.

6.9.17. ábra (2) A folyamat időbeli lefolyása (klikk a képre) A PG-t növelve a lendítőkerék eléri a felső fordulatszám korlátot is, és a korlátok elérése periódikusan ismétlődik. A 6.9.17. ábrát PG=0,6 értékre rajzoltuk fel. A korlátok elérése (3,5,7 jelű szakaszok) az áramvektor pályából és a fluxus időfüggvényből is látszik. a. AL aszinkrongép áramvektora mező koordinátarendszerben, b. AL aszinkrongép nyomatéka és szögsebessége, c. Lendkerék pL teljesítménye és a pG+pL eredő teljesítmény, d. AL aszinkrongép rotor fluxusvektorának amplitúdója.

6.9.4.2.4. Összes korlát elérése 6.9.18. ábra (1) A PG-t tovább növelve a PLmax teljesítmény korlátot is eléri a rendszer. Ennek vizsgálatára kétszeres TLin értéket használtunk (ne legyen túl hosszú ideig a fordulatszám korláton), PG=1,2PLmax=1 és PGk=1,2 (ne legyen pG negatív). A vizsgált folyamat a 6.9.18.a.-c. ábrákon követhető. A folyamat a kompenzálások és a korlátok szempontjából legdemonstratívabban az L-mL síkon szemléltethető (6.9.18.c. ábra). Mint a 6.9.18.b. ábrában látható a pL a korlátozási szakaszokban (3,6,10 szakaszok) kissé a korlát értékek alatt van. Ezt a lendítőkerék hajtó gépének veszteségei okozzák, hiszen (6.32)-vel a mechanikai teljesítmény van előírva. Ezek az eltérések eddig is léteztek (ha jobban megnézzük az ábrákat, a kompenzálás nem tökéletes, pG+pL nem sima), csak itt a nagyobb teljesítmények miatt szembetűnőbb.

6.9.18. ábra (2) A folyamat időbeli lefolyása (klikk a képre) A PG-t tovább növelve a PLmax teljesítmény korlátot is eléri a rendszer. Ennek vizsgálatára kétszeres TLin értéket használtunk (ne legyen túl hosszú ideig a fordulatszám korláton), PG=1,2PLmax=1 és PGk=1,2 (ne legyen pG negatív). A vizsgált folyamat a 6.9.18.a.-c. ábrákon követhető. A folyamat a kompenzálások és a korlátok szempontjából legdemonstratívabban az L-mL síkon szemléltethető (6.9.18.c. ábra). Mint a 6.9.18.b. ábrában látható a pL a korlátozási szakaszokban (3,6,10 szakaszok) kissé a korlát értékek alatt van. Ezt a lendítőkerék hajtó gépének veszteségei okozzák, hiszen (6.32)-vel a mechanikai teljesítmény van előírva. Ezek az eltérések eddig is léteztek (ha jobban megnézzük az ábrákat, a kompenzálás nem tökéletes, pG+pL nem sima), csak itt a nagyobb teljesítmények miatt szembetűnőbb.

A villamos gép veszteségeinek kompenzálása 6.9.18. ábra A veszteségek hatásának kiküszöbölésére több lehetőség kínálkozik: A legpontosabb, de a legkomplikáltabb megoldás az, hogy alkalmazunk egy teljesítmény szabályozót mLa állítására (6.32) helyett. Ennek visszacsatoló jele a lendítőkerekes energiatároló kimeneti villamos teljesítménye lenne. Ezzel az összes veszteség kompenzálható. Egy olyan veszteség modell alkalmazása, amelyik számítja a gép villamos veszteségeit, ezzel a pLGa alapjel módosítható. Ez jóval egyszerűbb, de csak a modellezett veszteségeket kompenzálja. A veszteségek kompenzálásának bemutatására a második módszert valósítottuk meg a gép rézveszteségeire (elegendő ezzel kompenzálni, mivel a gépmodellben csak ezt vettük figyelembe). Az utoljára vizsgált folyamatot ennek alkalmazásával újraszámoltuk, ennek hatását mutatjuk be a 6.9.19. ábrán. A teljesítmény pontosan éri el korlátértékét és ahol nincs korláton ott a kompenzáció tökéletes. A folyamat egy kissé változott (a 8-as szakasz hiányzik). Oka az, hogy a 6-os szakaszban a gyorsító teljesítmény abszolútértéke kisebb, a felső fordulatszám korlátot éppen nem éri el a rendszer. a. AL aszinkrongép nyomatéka és szögsebessége, b. Lendkerék pL teljesítménye és a pG+pL eredő teljesítmény.